微量元素对低合金钢大线能量焊接热影响区脆性的影响

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熔化焊接在工业生产中有着非常广泛的应用。随着工程结构向大型化发展，如大型压力容器、大型船舶等，生产过程要求焊接时能够提高焊接线能量来提高焊接效率。然而，焊接线能量的提高将导致焊接热影响区的脆化，并对焊接接头产生严重的危害。目前国内外降低焊接热影响区脆性的方法主要集中在减小热影响区的晶粒尺寸以及生成有益组织。合金化是实现此目的的一种重要途径。将锆/钛/铌元素加入钢中生成夹杂物能促进有益组织的产生，同时其生成的细小碳氮化物在高温区能阻碍奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒。目前在焊接过程中对于锆/钛/铌加入后生成碳氮化物的熟化和溶解过程及其对原奥氏体晶粒长大的影响研究较少。不仅如此，由于材料冶炼过程中不可避免的会存在一些微量元素锑、磷和锡等，这些微量元素在晶界偏聚时会增加材料的脆性，但在焊接过程中微量元素的晶界偏聚行为及其对热影响区的脆化作用研究更少。
　　因此，本文通过焊接热模拟技术，针对两种常用的低合金系列钢（铬-钼系和碳-锰系），对杂质元素锑、磷和锡在焊接热循环过程中的晶界偏聚行为及其对热影响区脆性的影响进行了研究，同时研究了碳氮化物形成元素锆/钛/铌生成的细小碳氮化物在焊接热循环过程中的熟化和溶解过程及其对焊接热影响区原奥氏体晶粒尺寸的影响。主要研究内容及成果如下。
　　采用 Gleeble-1500D热机械模拟机分别对未加入杂质元素以及加入杂质元素锑和磷的2.25Cr-1Mo钢进行焊接热模拟。热模拟曲线峰值温度为1320℃，焊接线能量为36、60和100 kJ/cm（其对应的25mm厚板二维导热时，800至500℃的冷却时间t8/5分别为27s、59s、149s）。随后使用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射技术（EBSD）、场发射扫描透射电子显微镜（FEGSTEM）对模拟焊接热影响区组织进行分析，并使用FEGSTEM技术对不同焊接线能量时模拟焊接热影响区锑和磷的晶界浓度进行测量。发现在焊接热循环过程中，杂质元素在原奥氏体晶界发生偏聚，导致其晶界浓度高于晶粒内部浓度。当焊接线能量为60 kJ/cm时，锑和磷的晶界偏聚浓度均达到了最大值。Sb和P的晶界偏聚行为满足非平衡偏聚理论。根据非平衡晶界偏聚理论得到临界焊接线能量，使得在该焊接线能量焊接时热影响区中杂质元素晶界偏聚量达到最大值。随后对含磷钢在不同峰值温度时P晶界偏聚的临界焊接线能量进行计算得到：当峰值温度为1320℃时，临界焊接线能量为67 kJ/cm。该结果与实验结果吻合。随着峰值温度的降低，由于奥氏体晶粒尺寸和冷却时间均降低，临界焊接线能量变化程度较小。通过测量焊接热模拟试样的韧-脆转变温度发现，Sb和P的晶界偏聚提高了焊接热影响区的韧-脆转变温度，且随着晶界偏聚量的增加，热影响区的韧-脆转变温度升高的程度增加。因此，在焊接时选择远离临界焊接线能量将能减小杂质元素晶界偏聚对热影响区的脆化影响。
　　对锡在碳-锰钢焊接热影响区的晶界偏聚行为进行了研究，在焊接线能量为36 kJ/cm时，观察到明显的锡晶界偏聚及其产生的脆化作用。而在60 kJ/cm和100 kJ/cm时，由于先共析铁素体在晶界处形核并长大，几乎覆盖全部晶界，晶界被破坏，晶界偏聚导致的脆化作用消失。焊接线能量为100 kJ/cm时，在加入和未加入锡的碳-锰钢模拟焊接热影响区组织中出现大量的针状铁素体，导致焊接热影响区的韧-脆转变温度降低。
　　对同时加入锆/钛/铌元素的碳-锰钢以不同焊接线能量和不同峰值温度进行焊接热模拟实验，焊接线能量为30、60和100 kJ/cm，峰值温度分别为1100、1200、1250和1320℃。随后使用截线法测量模拟焊接热影响区的原奥氏体晶粒尺寸大小，以及使用 FEGSTEM对热影响区中第二相的种类和尺寸进行测量。发现材料中的细小第二相（半径为100nm以内）主要为Ti-Nb的化合物，且存在着溶解温度较低的含Nb量较高的Ti-Nb化合物和溶解温度较高的含Nb量较低的Ti-Nb化合物。结合第二相的熟化与溶解理论，对第二相的熟化和溶解过程进行模拟计算得到：随着峰值温度的增加，第二相的尺寸逐渐增大、体积分数逐渐减小；当钢中存在低溶解温度Ti-Nb第二相时，Ti-Nb第二相的平均尺寸粗化严重。Ti-Nb第二相的熟化和溶解，导致原奥氏体晶粒尺寸在峰值温度高于1250℃时迅速增加。根据是否存在第二相的钉扎作用，将焊接热循环过程中的奥氏体晶粒长大分为两个阶段，对不同线能量及峰值温度下试样中的原奥氏体晶粒尺寸进行定量分析，建立了焊接热影响区晶粒长大的模型。

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作者
郑磊;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科材料学
授予学位博士
导师姓名宋申华;
年度 2013
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类合金钢;钢;
关键词
低合金钢; 焊接热影响区; 微量元素; 晶界偏聚; 脆性机理;

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